EP3776706A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem

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Publication number
EP3776706A1
EP3776706A1 EP19718267.8A EP19718267A EP3776706A1 EP 3776706 A1 EP3776706 A1 EP 3776706A1 EP 19718267 A EP19718267 A EP 19718267A EP 3776706 A1 EP3776706 A1 EP 3776706A1
Authority
EP
European Patent Office
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compressor
fuel cell
cell system
air
ambient air
Prior art date
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Pending
Application number
EP19718267.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Braun
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3776706A1 publication Critical patent/EP3776706A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
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    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
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    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the fuel cell system The fuel cell system
  • Fuel cell systems are known from the prior art, for example from DE 10 2004 051 359 B4.
  • the known fuel cell system comprises a fuel cell, an air supply line for supplying ambient air into the fuel cell and an exhaust duct for discharging the reacted ambient air from the fuel cell.
  • a compressor for compressing the ambient air is arranged on.
  • the object of the invention is to make the fuel cell system, in particular the compression or conveying the ambient air, more efficient. This is achieved in that the compressor is designed so that it can supply another consumer with ambient air in addition to the fuel cell.
  • the fuel cell system comprises a fuel cell, a Heilzu arrangementslei device for supplying ambient air into the fuel cell and an exhaust duct for discharging the reacted ambient air from the fuel cell.
  • a compressor is arranged in the air supply line. Downstream of the compressor, at least one further consumer of ambient air is arranged parallel to the fuel cell.
  • the compressor allows the compressor to supply both the fuel cell and the other consumers cher with ambient air.
  • Other consumers may be, for example, an air conditioner, a cooling system, a blocking air system or a dilution for the anode side of the fuel cell.
  • each additional consumer is assigned a control valve, so that all consumers can be supplied with ambient air as needed.
  • the compressor is arranged on a shaft which can be driven by a drive unit.
  • the drive unit is advantageously an electric motor.
  • the speed of the compressor which is preferably designed as a radial runner, can be controlled very dynamically, so that the mass flow of ambient air conveyed by it can be set very quickly to the respective requirements.
  • an exhaust gas turbine is arranged in the exhaust air line, wherein the exhaust gas turbine is preferably arranged on the shaft.
  • the compressor is driven by the exhaust gas turbine, preferably supported by the electric motor.
  • the existing (exhaust) energy in the exhaust air is thus reused to promote the ambient air.
  • the fuel cell is associated with a supply valve, and the at least one further consumer, a control valve.
  • a supply valve and the at least one further consumer, a control valve.
  • the air mass flow in the air supply line can be divided as needed to the fuel cell and the other consumers.
  • the supply valve and the control valve are designed as proportional valves and arranged upstream of the fuel cell and the other consumer.
  • a further compressor is arranged in the air supply line.
  • the additional compressor can be connected in parallel or in series with the compressor.
  • the other compressor may be connected to the compressor so that the air supply is made in the fuel cell either two stages condensed, or one of the two compressors supplied the fuel cell in one stage.
  • the additional compressor can also be taken from an adjacent system, for example from the air conditioning system.
  • the already existing in the vehicle further compressor is used particularly effectively.
  • the further compressor is connected to the compressor in series GE and a supply valve is disposed between the compressor and the further compressor.
  • a supply valve is disposed between the compressor and the further compressor.
  • a compressor bypass valve is parallel to the supply valve and the other United dense arranged. This results in a parallel circuit of the other consumers on the one hand and the parallel circuit of Verêtrby pass valve and other compressor with supply valve on the other.
  • the compressor bypass valve opens and thus closes a single-stage compressed flow path over the United denser to the fuel cell.
  • the supply valve opens and closes the two-stage compaction flow path through the compressor and the other compressor to the fuel cell.
  • the fuel cell can therefore be supplied in this embodiment with both one-stage and two-stage compressed ambient air.
  • a compressor bypass valve is arranged parallel to the supply valve and the United denser. This results in a parallel circuit of the compressor bypass valve and the compressor with supply valve.
  • the supply of the fuel cell can therefore be done via the path compressor bypass valve and other Ver denser, or via the path compressor, supply valve and other compressor.
  • the supply of the fuel cell can thus be carried out both in one stage and two stages.
  • the other consumers are supplied by the compressor in this embodiment. Downstream of the compressor there is thus a branch point to the other consumers and to the supply valve.
  • the further compressor is connected in parallel to the United denser.
  • the compressor is associated with a supply valve, and the other United dense a compressor bypass valve.
  • the supply of the fuel cell with ambient air can be done both via the compressor with supply valve and via the other compressor with compressor bypass valve. Are both control valves open, the total mass flow of ambient air into the fuel cell results from the funded by compressor and further compressor mass flows, minus the Mas senstrom to the other consumers, which are also fed by the compressor.
  • the supply of the fuel cell with ambient air can also redun dant made either by the compressor or by the other compressor who the.
  • both compressors can be driven in each case with an exhaust gas turbine and / or with a drive unit, wherein at least one of the two compressors should have a drive unit.
  • the further compressor is connected to the compressor by means of valves such that both the fuel cell and the at least one further consumer can be supplied with ambient air both from the compressor and from the further compressor.
  • the compressor and the further compressor are arranged parallel to it. Downstream of a cross-circuit of the valves to the fuel cell fuel cell and the other consumers is arranged.
  • the cross-circuit consists of the supply valve, which is associated with the compressor from another compressor bypass valve, which is associated with the further compressor, from a further to supply valve, which is associated with the fuel cell, each consisting of a control valve, which is assigned to a further consumer , And from the compressor bypass valve wel Ches is located at the intersection of these four valves.
  • Both the fuel cell and the other consumers can be provided with any mass flow components of compressor and further compressor ver.
  • the compressor and the further compressor are each configured redundantly for the fuel cell and for the other consumers.
  • Fuel cell and far re consumers can thus be supplied from both the compressor and the other United denser and thus also jointly from both compressors with ambient air.
  • the further compressor is switchable to the compressor both in series and in parallel.
  • the ambient air for the fuel cell can be compressed both one-stage and two-stage, and the single-stage compression is designed to be redundant at the same time.
  • the at least one further consumer can also be supplied with ambient air by the further compressor.
  • the single-stage compaction is running redundant device for the other consumers.
  • the fuel cell system may preferably be configured to drive a drive unit of a motor vehicle.
  • the vehicle then has the fuel cell system according to one of the previous embodiments and a driver's cab on, with another consumer is designed for ventilation of the cab.
  • the compressor supplies the driver's cab with ambient air, if necessary heated or cooled.
  • FIG. 1 shows schematically a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 2 shows schematically another fuel cell system according to the invention
  • FIG. 3 schematically shows yet another fuel cell system according to the invention
  • FIG. 4 schematically shows yet another fuel cell system according to the invention
  • FIG. 5 schematically shows yet another fuel cell system according to the invention
  • FIG. 6 schematically shows yet another fuel cell system according to the invention
  • FIG. 7 schematically shows yet another fuel cell system according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows a fuel cell system 1 according to the invention.
  • the fuel cell system 1 comprises a fuel cell 2 with a cathode and an anode, an air supply line 3 and an exhaust air line 4 in the cathode path and a compressor 5, in preferred embodiments also an exhaust gas turbine 6.
  • the fuel cell 2 is a galvanic cell, the chemical reaction energy of a not shown fuel supply line fuel supplied in the anode path and an oxidant in the cathode path converts into electrical energy, wherein in the embodiment shown here ambient air 10 is used as the oxidant, which is supplied via the air supply line 3 by means of the compressor 5 of the fuel cell 2.
  • the fuel may preferably be hydrogen or methane or methanol Me.
  • the fuel cell 2 is preferably set up to drive a drive unit of a motor vehicle. For example, the electrical energy generated by the fuel cell 2 drives an electric motor of the motor vehicle.
  • the compressor 5 is arranged in the air supply line 3.
  • the exhaust gas turbine 6 is arranged in the exhaust air line 4.
  • the compressor 5 and the exhaust gas turbine 6 are vorzugswei se mechanically connected via a shaft 7 and additionally driven by a drive unit 11 electrically.
  • the exhaust gas turbine 6 thus serves to support the Antriebssein unit 11 for driving the shaft 7 and the compressor 5.
  • the compressor 5, the shaft 7, the exhaust gas turbine 6 and designed as an electric motor drive unit 11 form together to an electric turbocompressor.
  • the ambient air 10 is filtered in the air supply line 3 upstream of the compressor 5 by a filter 8 and downstream of the United poet 5 cooled by a heat exchanger 9.
  • further consumers (21, 22, 23) of ambient air are connected in parallel with the fuel cell 2 downstream of the fuel cell 2.
  • these consumers (21, 22, 23) can be supplied with ambient air in any desired manner by means of an associated control valve (21a, 22a, 23a).
  • the supply of ambient air to the fuel cell by means of an associated supply valve (2 a) can be throttled or even interrupted.
  • the Steuerventi le (2a, 21a, 22a, 23a) leads out as proportional valves or as shut-off valves out.
  • Other consumers (21, 22, 23) of ambient air may be, for example: interior ventilation / air conditioning of the motor vehicle,
  • Air cooling of a drive electric motor and / or the power electronics of a vehicle in particular for motorized vehicles for the low-price segment (for example in Asia),
  • the compressor 5 thus supplies several consumers (2, 21, 22, 23) with ambient air.
  • the compressor 5 is even the only air supply unit in the motor driving convincing and further includes an electric motor and power electronics. This results in the following advantages for the motor vehicle:
  • Fuel cell systems are currently associated with high costs.
  • the connection to several consumers 2, 21, 22, 23 to the compressor 5 offers a possibility to reduce costs.
  • FIG. 2 schematically shows another fuel cell system 1 according to the invention.
  • the differences to the embodiment according to FIG. 1 are:
  • the fuel cell system 1 has a turbomachine 100 with the drive unit 11 and a two-stage compressor; the two-stage compressor comprises the compressor 5 and a further compressor 52, which are arranged in the embodiment of Figure 2 on the common shaft 7. Furthermore, the optional exhaust gas turbine 6 is arranged on the shaft 7. The compressor 5 and the further compressor 52 are connected in series in the air supply line 3 to the fuel cell 2. Between the two compressors 5, 52 branches out at a branch point 101, the parallel circuit
  • the fuel cell 2 is supplied with ambient air at comparatively high pressure, since it is compressed in two stages by the two compressors 5, 52.
  • the other consumers 21, 22, 23, however, ambient air is supplied at a lower pressure, since it is branched off after the 1-stage compression by the compressor 5 at the branch point 101.
  • the fuel cell system 1 has a bypass valve 2 b between the air supply line 3 and the exhaust air line 4 in order to be able to bypass the cathodic path of the fuel cell 2.
  • a water separator 41 may be arranged in the exhaust duct 4 upstream of the exhaust gas turbine 6 in order to protect the exhaust gas turbine 6 from droplet impact.
  • FIG. 3 schematically shows yet another fuel cell system 1 according to the invention.
  • the differences to the embodiment according to FIG. 2 will be discussed essentially.
  • the fuel cell system 1 can supply the fuel cell 2 with both 1-stage and 2-stage compressed ambient air.
  • the supply valve 2a is closed and the compressor bypass valve 2c is opened.
  • the fuel cell 2 is then supplied only via the compressor 5.
  • the heat exchanger 9 can be bypassed in this operating point because the tempera ture of the compressed air after the compressor 5 without further compression is less than or equal to the permissible inlet temperature of the ambient air in the fuel cell 2 and in the fuel cell stack.
  • FIG. 4 schematically shows yet another fuel cell system 1 according to the invention.
  • the differences to the embodiment according to FIG. 3 will be discussed essentially.
  • the fuel cell system 1 can supply the fuel cell 2 with both 1-stage and 2-stage compressed ambient air.
  • the single-stage compression takes place, however, by the further compressor 52, which is arranged in the embodiment of Figure 4 together with the exhaust gas turbine 6 on the shaft 7.
  • the compressor bypass valve 2 c is connected in parallel to the compressor 5, but can also be omitted in alterna tive embodiments, so that the ambient air must always flow through the compressor 5. Downstream of the compressor 5 is the branch point 101 is arranged, at which the path splits into a parallel connection of the further consumers 21, 22, 23 (including the associated control valves 21a, 22a, 23a) and the supply valve 2a. The paths of compressor bypass valve 2c and supply valve 2a lead together again and open into the further compressor 52, from where the fuel cell 2 is fed.
  • this circuit Ver can also be used to the exhaust gas turbine 6 and the other Compressor 52 to de-ice: If, for example, the shaft 7 can not be started due to icing of the gas turbine from 6, can on the compressor 5 ambient air, which can optionally also be preheated, on the standing further Ver denser 52 in the cathode path or in the Air supply line 3 are introduced, which warms up in the fuel cell 2 and then the exhaust gas turbine 6 enteist or makes common again. Thereafter, the unit of further compressor 52 and exhaust turbine 6, which is optionally driven by an electric motor can be started.
  • the further compressor 52 which is preferably the main compressor for the fuel cell 2
  • a partial load operation of the fuel cell 2 is possible, in which the compressor 5 conducts a mass air flow into the air supply line 3.
  • the number of start-stop operations of the further compressor 52 can be reduced by keeping it switched off at low drive powers (for example stop-and-go traffic, congestion, slow city traffic) and operation of the fuel cell 2 in the lower part load Area is effected by an air mass flow of the compressor 5.
  • low drive powers for example stop-and-go traffic, congestion, slow city traffic
  • operation of the fuel cell 2 in the lower part load Area is effected by an air mass flow of the compressor 5.
  • FIG. 5 shows schematically yet another fuel cell system 1 according to the invention, in which the compressor 5 and the further compressor 52 in the air supply line 3 the fuel cell 2 are connected in parallel.
  • the compressor bypass valve 2c is arranged in the partial path of the further compressor 52, and the supply valve 2a in the partial path of the compressor 5 to the fuel cell 2. Downstream of the compressor 5 ver branches the flow of ambient air to the supply valve 2a on the one hand and to the other consumers 21st , 22 on the other hand.
  • the further consumers 21, 22 are thus supplied by the compressor 5 with ambient air.
  • the fuel cell 2 can be supplied with ambient air from the compressor 5, from the further compressor 52 or from both compressors 5, 52 simultaneously - in parallel.
  • the air line 4 from the water separator 41 and / or the exhaust gas turbine 6 may be arranged.
  • the exhaust gas turbine 6 may be designed to drive the compressor 5 or to drive the further compressor 52.
  • the fuel cell 2 and the exhaust gas turbine 6 can also have bypasses, in particular for a start-up or de-icing operation of the fuel cell system 1.
  • the control valves 21a, 22a may be designed as air dampers and used at various positions for the division of the air mass flow or for pressure division who the.
  • the louvers can be passive - for example, as check valves - or active - in particular with control options - be executed.
  • a heat exchanger can be used as an intercooler between the two compression stages.
  • FIG. 6 schematically shows yet another fuel cell system 1 according to the invention, in which the compressor 5 and the further compressor 52 in the air supply line 3 of the fuel cell 2 are connected in parallel.
  • the compressor 5 and the exhaust gas turbine 6 are arranged on the shaft 7.
  • the compressor 5 and the further compressor 52 are arranged in the embodiment of Figure 6 in parallel in the air supply line 3, that they can supply fol lowing customers depending on the valve positions with ambient air:
  • the compressor 5 supplies the fuel cell 2 and
  • the additional compressor 52 supplies the further consumers 21, 22, 23.
  • the compressor 5 supplies the other consumers 21, 22, 23, and the fuel cell 2 is switched off or runs in oxygen depletion.
  • the additional compressor 52 supplies the fuel cell 2, and the other consumers 21, 22, 23 are switched off or have no need for ambient air.
  • the further compressor 52 supplies the further consumers 21, 22, 23, and the fuel cell 2 is switched off or runs in oxygen depletion
  • the supply valve 2a, the compressor bypass valve 2c, the control valves 21a, 22a, 23a of the further consumers 21, 22, 23, another supply valve 2d and another compressor bypass valve 2e are arranged in a crossing position:
  • the supply valve 2a Downstream of the compressor 5, the supply valve 2a is arranged.
  • the branch point 101 Downstream of the supply valve 2a, the branch point 101 is arranged, wherein the flow path splits in a direction to the fuel cell 2 and in a direction to the other consumers 21, 22, 23.
  • the further compressor bypass valve 2e Downstream of the further compressor 52, the further compressor bypass valve 2e is arranged.
  • a further branching point 101 b Downstream of the further compressor bypass valve 2 e, a further branching point 101 b is arranged, wherein the flow path splits in a direction to the fuel cell 2 and in a direction to the other consumers 21, 22, 23. Between the two branch points 101, 101 b, the compressor bypass valve 2 c is arranged, which is thus preferably in both directions (for fuel cell 2 and to the other consumers 21, 22, 23) can be flowed through.
  • the further supply valve 2 d Downstream of the branching point 101 in the direction of the fuel cell 2, the further supply valve 2 d is arranged.
  • FIG. 7 shows schematically yet another fuel cell system 1 according to the invention, in which the compressor 5 and the further compressor 52 in the air supply line 3 of the fuel cell 2 can be connected both in series and in parallel.
  • a parallel circuit of the compaction ter 5 and the compressor bypass valve 2c is arranged, which downstream of the further downstream by means of the supply valve 2a further compressor 52 can be closed again, wherein alternatively the compressor bypass valve 2c can also be omitted, especially at approximately lossless flow the stationary compressor 5.
  • the parallel circuit can also only downstream of the further compressor 52 by means of the further supply valve 2 d closed again who the.
  • first compressor 5 and second compressor 52 Single-stage compression with increased mass flow through parallel connection of first compressor 5 and second compressor 52: open compressor bypass valve 2c, closed supply valve 2a, open further supply valve 2d
  • the supply valve 2 a is preferably only able to flow through in the direction of the further compressor 52, and the further supply valve 2 d only in the direction of the fuel cell 2.
  • the compressor 5 and the wide Ren compressor 52 drive. Any number of further consumers 21, 22, 23 can be supplied with ambient air by the compressor 5.
  • Figure 6 and Flg ⁇ Z is a redundant air supply, so probably for the fuel cell 2 as well as for the other consumers 21, 22, 23,
  • Rulege provides, if the supply valve 2a ( Figure 5) or the compressor bypass valve 2c (FIG. 6) or the further supply valve 2d (FIG. 7) can be flowed through correspondingly in both directions.
  • the availability of the vehicle with the fuel cell system 1 can be increased, which is particularly advantageous in fully automated vehicles or commercially used vehicles. As a result, safety and legal requirements can be better met (for example, the dilution of hydrogen or the protection of the ventilation).
  • the two air conveyor systems so the compressor 5 and the other compressor 52 can fall back on under different sources of energy (for example, the compressor 5 to 12 V or 48V and the other compressor 52 on high-voltage electrical system), which also has a Re dundance in the energy supply results.
  • sources of energy for example, the compressor 5 to 12 V or 48V and the other compressor 52 on high-voltage electrical system
  • the air supply to the fuel cell 2 via the additional compressor 52 which must be in operation anyway for other tasks (for example, as a fresh air blower for vehicle air conditioning).
  • the compressor 5 can be completely switched off in such Batzustän. Examples include: stop-and-go traffic, traffic jams, slow city traffic, auxiliary heating / warm-up phase.
  • the fuel cell system 1 is energetically optimized. Furthermore, this minimizes the number of start-stops of the compressor 5, so that its wear parts are less stressed bean. For example, due to the reduced demands on the bearings of the shaft 7 then correspondingly cheaper storage variants can be used.
  • the dynamic requirements of the compressor 5 can be reduced if at idle or at lower part-load operation of the further compressor 52 takes over the task of air supply for the fuel cell 2.
  • the drive unit 11 for the compressor 5 is not shown in Figures 4-7.
  • the compressor 5 nevertheless has in each case the drive unit 11 in order, on the one hand, to be able to drive the shaft 7 independently of the exhaust gas turbine 6 and, on the other hand, to be able to cover all operating situations, in particular during the starting phase.
  • both redundancy and two-stage compression can be realized, for example, when the compressor 5 and the further compressor 52 are not arranged on a common shaft. This can also be used to optimize the fuel cell system 1 (Wir kungsgrad, drive unit 11, power electronics).
  • the further coupled air system - ie the system which does not hang on derglei Chen wave 7 as the exhaust gas turbine, depending on the design of the compressor 5 or the other compressor 52 - air into the air supply line 3 and into the exhaust duct 4 is turned on, there warmed up and then the exhaust gas turbine 6 are supplied, so that it is de-iced.
  • the compressor 5 or the further compressor 52 can be started with the exhaust gas turbine 6 connected to it in a rotationally fixed manner. This eliminates additional measures such as heaters on the exhaust turbine. 6
  • valves 2 a, 2 b, 2 c, 2 d, 2 e, 21 a, 22 a, 23 a proportional valves ge can be selected if necessary, so that the mass flows of ambient air to the fuel cell 2 and the other consumers 21, 22, 23 are set virtually arbitrarily in the ideal case can.
  • shut-off valves or passive valves 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 21a, 22a, 23a for example non-return flaps

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Abstract

Brennstoffzellensystem (1) mit einer Brennstoffzelle (2), einer Luftzuführungsleitung (3) zum Zuführen von Umgebungsluft in die Brennstoffzelle (2) und einer Abluftleitung (4) zum Abführen der reagierten Umgebungsluft aus der Brennstoffzelle (2). Ein Verdichter (5) ist in der Luftzuführungsleitung (3). Stromabwärts des Verdichters (5) ist parallel zu der Brennstoffzelle (2) zumindest ein weiterer Verbraucher (21, 22, 23) von Umgebungsluft angeordnet.

Description

Beschreibung
Titel
Brennstoffzellensystem
Stand der Technik
Brennstoffzellensysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2004 051 359 B4. Das bekannte Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoff zelle, eine Luftzuführungsleitung zum Zuführen von Umgebungsluft in die Brennstoffzelle und eine Abluftleitung zum Abführen der reagierten Umgebungsluft aus der Brennstoffzel le. In der Luftzuführungsleitung ist ein Verdichter zum Verdichten der Umgebungsluft an geordnet.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es das Brennstoffzellensystem, insbesondere das Verdichten bzw. Fördern der Umgebungsluft, effizienter zu gestalten. Dies wird dadurch erreicht, dass der Verdichter so ausgeführt ist, dass er neben der Brennstoffzelle einen weiteren Verbraucher mit Umgebungsluft versorgen kann.
Dazu umfasst das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle, eine Luftzuführungslei tung zum Zuführen von Umgebungsluft in die Brennstoffzelle und eine Abluftleitung zum Abführen der reagierten Umgebungsluft aus der Brennstoffzelle. Ein Verdichter ist in der Luftzuführungsleitung angeordnet. Stromabwärts des Verdichters ist parallel zu der Brennstoffzelle zumindest ein weiterer Verbraucher von Umgebungsluft angeordnet.
Dadurch kann der Verdichter sowohl die Brennstoffzelle als auch den weiteren Verbrau cher mit Umgebungsluft versorgen. Weitere Verbraucher können dabei beispielsweise eine Klimaanlage, ein Kühlsystem, ein Sperrluftsystem oder auch eine Verdünnung für die Anodenseite der Brennstoffzelle sein. Vorzugsweise ist dabei jedem weiteren Verbraucher ein Steuerventil zugeordnet, so dass alle Verbraucher bedarfsgerecht mit Umgebungsluft versorgt werden können. In bevorzugten Ausführungen ist der Verdichter auf einer von einer Antriebseinheit an- treibbaren Welle angeordnet. Die Antriebseinheit ist vorteilhafterweise ein Elektromotor. Dadurch ist die Drehzahl des Verdichters, der bevorzugt als Radialläufer ausgeführt ist, sehr dynamisch ansteuerbar, so dass der von ihm geförderte Massenstrom an Umge bungsluft sehr schnell auf die jeweiligen Anforderungen eingestellt werden kann.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist eine Abgasturbine in der Abluftleitung angeordnet, wobei die Abgasturbine vorzugsweise auf der Welle angeordnet ist. Dadurch wird der Verdichter durch die Abgasturbine angetrieben, bevorzugt unterstützt durch den Elektro motor. Die in der Abluft vorhandene (Verlust-) Energie wird also wieder zur Förderung der Umgebungsluft weiterverwendet.
In vorteilhaften Ausführungen ist der Brennstoffzelle ein Zufuhrventil zugeordnet, und dem zumindest einem weiteren Verbraucher ein Steuerventil. Dadurch kann der Luftmassen strom in der Luftzuführungsleitung bedarfsgerecht auf die Brennstoffzelle und die weiteren Verbraucher aufgeteilt werden. Vorzugsweise sind das Zufuhrventil und das Steuerventil dabei als Proportionalventile ausgeführt und jeweils stromaufwärts der Brennstoffzelle bzw. des weiteren Verbrauchers angeordnet.
Bevorzugt ist ein weiterer Verdichter in der Luftzuführungsleitung angeordnet. Der weitere Verdichter kann dabei parallel oder in Reihe zu dem Verdichter geschaltet sein. In Ausfüh rungen mit besonderen Steuerventilanordnungen kann der weitere Verdichter so zu dem Verdichter geschaltet sein, dass die Luftzuführung in die Brennstoffzelle entweder zwei stufig verdichtet vorgenommen wird, oder einer der beiden Verdichter die Brennstoffzelle einstufig versorgt. Insbesondere bei einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug kann der weitere Verdichter auch aus einem benachbarten System - beispielsweise aus dem Klimasystem - entnommen werden. So wird der ohnehin im Fahrzeug vorhandene weitere Verdichter besonders effektiv eingesetzt.
In vorteilhaften Ausführungen ist der weitere Verdichter zu dem Verdichter in Reihe ge schaltet und ein Zufuhrventil ist zwischen dem Verdichter und dem weiteren Verdichter angeordnet. Durch das Zufuhrventil sind der weitere Verdichter und die Brennstoffzelle einerseits und die weiteren Verbraucher mit ihren zugeordneten Steuerventilen anderer seits parallel geschaltet. Die Versorgung der weiteren Verbraucher durch den Verdichter erfolgt so mit einstufig verdichteter Umgebungsluft. Die Versorgung der Brennstoffzelle erfolgt mit zweistufig - durch Verdichter und weiteren Verdichter - verdichteter Umge bungsluft.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist parallel zu dem Zufuhrventil und dem weiteren Ver dichter ein Verdichterbypassventil angeordnet. Dadurch ergibt sich eine Parallelschaltung aus den weiteren Verbrauchern einerseits und der Parallelschaltung aus Verdichterby passventil und weiterer Verdichter mit Zufuhrventil andererseits. Das Verdichterbypass ventil öffnet und schließt somit einen einstufig verdichteten Strömungspfad über den Ver dichter zu der Brennstoffzelle. Das Zufuhrventil öffnet und schließt den zweistufig verdich teten Strömungspfad über den Verdichter und den weiteren Verdichter zu der Brennstoff zelle. Die Brennstoffzelle kann demzufolge in dieser Ausführung sowohl mit einstufig als auch mit zweistufig verdichteter Umgebungsluft versorgt werden.
In anderen vorteilhaften Weiterbildungen ist parallel zu dem Zufuhrventil und dem Ver dichter ein Verdichterbypassventil angeordnet. Dadurch ergibt sich eine Parallelschaltung aus dem Verdichterbypassventil und dem Verdichter mit Zufuhrventil. Die Versorgung der Brennstoffzelle kann demzufolge über den Pfad Verdichterbypassventil und weiterer Ver dichter erfolgen, oder über den Pfad Verdichter, Zufuhrventil und weiterer Verdichter. Die Versorgung der Brennstoffzelle kann somit sowohl einstufig als auch zweistufig erfolgen. Die weiteren Verbraucher werden in dieser Ausführung von dem Verdichter versorgt. Stromabwärts des Verdichters gibt es somit einen Verzweigungspunkt zu den weiteren Verbrauchern und zu dem Zufuhrventil.
In alternativen vorteilhaften Ausführungen ist der weitere Verdichter parallel zu dem Ver dichter geschaltet. Dem Verdichter ist ein Zufuhrventil zugeordnet, und dem weiteren Ver dichter ein Verdichterbypassventil. Die Versorgung der Brennstoffzelle mit Umgebungsluft kann dadurch sowohl über den Verdichter mit Zufuhrventil als auch über den weiteren Verdichter mit Verdichterbypassventil erfolgen. Sind beide Steuerventile geöffnet, so ergibt sich der Gesamtmassenstrom der Umgebungsluft in die Brennstoffzelle aus den von Verdichter und weiterem Verdichter geförderten Massenströmen, abzüglich der Mas senströme zu den weiteren Verbrauchern, welche ebenfalls von dem Verdichter gespeist werden. Die Versorgung der Brennstoffzelle mit Umgebungsluft kann jedoch auch redun dant entweder von dem Verdichter oder von dem weiteren Verdichter vorgenommen wer den. ln den Ausführungen mit einer Parallelschaltung aus Verdichter und weiterem Verdichter können beide Verdichter jeweils mit einer Abgasturbine und/oder mit einer Antriebseinheit angetrieben werden, wobei zumindest einer der beiden Verdichter eine Antriebseinheit aufweisen sollte.
In bevorzugten Weiterbildungen ist der weitere Verdichter mittels Ventilen derart zu dem Verdichter geschaltet, dass sowohl die Brennstoffzelle als auch der zumindest eine weite re Verbraucher sowohl von dem Verdichter als auch von dem weiteren Verdichter mit Umgebungsluft versorgbar sind. Der Verdichter und der weitere Verdichter sind dazu pa rallel angeordnet. Stromabwärts davon ist eine Kreuzschaltung der Ventile zu der Brenn stoffzelle und zu den weiteren Verbrauchern angeordnet. Die Kreuzschaltung besteht aus dem Zufuhrventil, welches dem Verdichter zugeordnet ist, aus einem weiteren Verdichter bypassventil, welches dem weiteren Verdichter zugeordnet ist, aus einem weiteren Zu fuhrventil, welches der Brennstoffzelle zugeordnet ist, aus je einem Steuerventil, welches je einem weiteren Verbraucher zugeordnet ist, und aus dem Verdichterbypassventil, wel ches im Kreuzungspunkt dieser vier Ventile angeordnet ist. Dadurch ist das Brennstoffzel lensystem sehr flexibel; sowohl die Brennstoffzelle als auch die weiteren Verbraucher können mit beliebigen Massenstromanteilen aus Verdichter und weiterem Verdichter ver sorgt werden. Dabei sind der Verdichter und der weitere Verdichter jeweils redundant für die Brennstoffzelle und für die weiteren Verbraucher ausgelegt. Brennstoffzelle und weite re Verbraucher können also sowohl von dem Verdichter als auch von dem weiteren Ver dichter und damit auch gemeinsam von beiden Verdichtern mit Umgebungsluft versorgt werden.
In besonders bevorzugten Ausführungen ist der weitere Verdichter zu dem Verdichter sowohl in Reihe als auch parallel schaltbar. Dadurch kann die Umgebungsluft für die Brennstoffzelle sowohl einstufig als auch zweistufig verdichtet werden, und die einstufige Verdichtung ist gleichzeitig redundant ausgeführt.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist der zumindest eine weitere Verbraucher auch von dem weiteren Verdichter mit Umgebungsluft versorgbar. Somit ist auch die einstufige Verdich tung für die weiteren Verbraucher redundant ausgeführt.
Das Brennstoffzellensystem kann vorzugsweise dazu eingerichtet sein, eine Antriebsein heit eines Kraftfahrzeugs anzutreiben. Vorzugsweise weist das Fahrzeug dann das Brennstoffzellensystem nach einer der vorherigen Ausführungen und eine Fahrerkabine auf, wobei ein weiterer Verbraucher zur Belüftung der Fahrerkabine ausgebildet ist.
Dadurch versorgt der Verdichter die Fahrerkabine bei Bedarf mit Umgebungsluft, gegebe nenfalls aufgeheizt oder gekühlt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren sche matisch dargestellt sind.
Es zeigen:
Figur 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
Figur 2 schematisch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
Figur 3 schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
Figur 4 schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
Figur 5 schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
Figur 6 schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
Figur 7 schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Fig.l zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1. Das Brenn stoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2 mit einer Kathode und einer Anode, eine Luftzuführungsleitung 3 und eine Abluftleitung 4 in dem Kathodenpfad und einen Verdichter 5, in bevorzugten Ausführungen auch noch eine Abgasturbine 6.
Die Brennstoffzelle 2 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über die nicht gezeigte Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffes im Anoden- pfad und eines Oxidationsmittels im Kathodenpfad in elektrische Energie wandelt, wobei bei der hier gezeigten Ausführungsform Umgebungsluft 10 als Oxidationsmittel verwendet wird, welche über die Luftzuführungsleitung 3 mittels des Verdichters 5 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird. Der Brennstoff kann vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder Me thanol sein. Die Brennstoffzelle 2 ist vorzugsweise eingerichtet, eine Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs anzutreiben. Beispielsweise treibt die durch die Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische Energie dabei einen Elektromotor des Kraftfahrzeugs an.
Der Verdichter 5 ist in der Luftzuführungsleitung 3 angeordnet. Die Abgasturbine 6 ist in der Abluftleitung 4 angeordnet. Der Verdichter 5 und die Abgasturbine 6 sind vorzugswei se über eine Welle 7 mechanisch verbunden und zusätzlich von einer Antriebseinheit 11 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 6 dient somit der Unterstützung der Antriebsein heit 11 zum Antreiben der Welle 7 bzw. des Verdichters 5. Der Verdichter 5, die Welle 7, die Abgasturbine 6 und die als Elektromotor ausgeführte Antriebseinheit 11 bilden zu sammen einen elektrischen Turbokompressor.
In vorteilhaften Weiterbildungen wird die Umgebungsluft 10 in der Luftzuführungsleitung 3 stromaufwärts des Verdichters 5 von einem Filter 8 gefiltert und stromabwärts des Ver dichters 5 von einem Wärmetauscher 9 gekühlt.
Erfindungsgemäß sind nun stromabwärts der Brennstoffzelle 2 weitere Verbraucher (21, 22, 23) von Umgebungsluft parallel zu der Brennstoffzelle 2 geschaltet. In vorteilhaften Weiterbildungen sind diese Verbraucher (21, 22, 23) jeweils mittels eines zugeordneten Steuerventils (21a, 22a, 23a) beliebig mit Umgebungsluft versorgbar. Ebenso kann auch die Zufuhr von Umgebungsluft zu der Brennstoffzelle mittels eines zugeordneten Zufuhr ventils (2a) gedrosselt oder gar unterbrochen werden. Vorzugsweise sind die Steuerventi le (2a, 21a, 22a, 23a) dabei als Proportionalventile oder auch als Absperrventile ausge führt.
Weitere Verbraucher (21, 22, 23) von Umgebungsluft können dabei beispielsweise sein: lnnenraumbelüftung/-klimatisierung des Kraftfahrzeugs,
Kühlung der Antriebseinheit 11 bzw. des Verdichters 5,
Kühlung der Leistungselektronik des Verdichters 5,
Kühlung der Lager der Welle 7,
Sperrluft für Dichtungen, Luft für Radial-Lager bzw. Axial-Lager der Welle 7,
Luftkühlung einer Batterie des Kraftfahrzeugs,
Luftkühlung einer Antriebs-E-Maschine und/oder der Leistungselektronik eines Fahrzeugs, insbesondere bei motorisierten Fahrzeugen für das Low-Price- Segment (beispielsweise im asiatischen Raum),
Luft zur Verdünnung eines Spülablasses des Anodenpfads des Brennstoffzellen systems 1.
Der Verdichter 5 versorgt somit mehrere Verbraucher (2, 21, 22, 23) mit Umgebungsluft.
Bevorzugt ist der Verdichter 5 sogar die einzige Luftversorgungseinheit in dem Kraftfahr zeug und weist weiterhin einen Elektromotor und eine Leistungselektronik auf. Dadurch ergeben sich für das Kraftfahrzeug folgende Vorteile:
- Die Anzahl von Start- Stopps des Verdichters 5 bzw. der Antriebseinheit 11 wird auf grund der Mehrfachnutzung signifikant reduziert.
- Durch die damit einhergehenden reduzierten Anforderungen an die Lager der Welle 7 können kostengünstigere Lagervarianten ermöglicht werden.
- Aufgrund des großen Bauraum-Bedarfs haben Brennstoffzellensysteme (Wandler chemische Energie in elektrische Energie) incl. Tank für Treibstoff bzw. Brennstoff (z.B. Wasserstoff) oft Nachteile im Vergleich zu anderen Antriebsarten. Eine hohe Integrati onsdichte der Luftförder/-verdichtungssysteme kann durch die Erfindung erreicht wer den und damit den benötigten Bauraum wieder reduzieren.
- Brennstoffzellensysteme sind derzeit noch mit hohen Kosten verbunden. Der An schluss mehrerer Verbraucher 2, 21, 22, 23 an den Verdichter 5 bietet eine Möglichkeit die Kosten zu reduzieren.
Fig.2 zeigt schematisch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1. Im Folgenden soll dabei im Wesentlichen auf die Unterschiede zur Ausführung nach Fig.l eingegangen werden.
Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Turbomaschine 100 mit der Antriebseinheit 11 und einem zweistufigen Verdichter auf; der zweistufige Verdichter umfasst den Verdichter 5 und einen weiteren Verdichter 52, welche in der Ausführung der Fig.2 auf der gemein samen Welle 7 angeordnet sind. Weiterhin ist die optionale Abgasturbine 6 auf der Welle 7 angeordnet. Der Verdichter 5 und der weitere Verdichter 52 sind in der Luftzuführungsleitung 3 zur Brennstoffzelle 2 in Reihe geschaltet. Zwischen den beiden Verdichtern 5, 52 verzweigt sich an einem Verzweigungspunkt 101 die Parallelschaltung aus
Reihenschaltung Zufuhrventil 2a, weiterer Verdichter 52, Wärmetauscher 9, Brennstoffzelle 2,
- weiterem Verbraucher 21 mit Steuerventil 21a,
noch einem weiteren Verbraucher 22 mit Steuerventil 22a und
noch einem weiteren Verbraucher 23 mit einem Steuerventil 23a.
Dadurch wird der Brennstoffzelle 2 Umgebungsluft mit vergleichsweise hohem Druck zu geführt, da diese 2-stufig durch die beiden Verdichter 5, 52 verdichtet wird. Den weiteren Verbrauchern 21, 22, 23 hingegen wird Umgebungsluft mit niedrigerem Druck zugeführt, da sie nach der 1-stufigen Verdichtung durch den Verdichter 5 an dem Verzweigungs punkt 101 abgezweigt wird. Die Vorteile zur bedarfsgerechten Luftversorgung der Ver braucher mit unterschiedlichen Druckniveaus, insbesondere unter Berücksichtigung der Energieoptimierung, werden weiter unten noch näher erläutert.
In weiterbildenden Ausführungen weist das Brennstoffzellensystem 1 ein Bypassventil 2b zwischen der Luftzuführungsleitung 3 und der Abluftleitung 4 auf, um den kathodischen Pfad der Brennstoffzelle 2 umgehen zu können. Weiterhin kann ein Wasserabscheider 41 in der Abluftleitung 4 stromaufwärts der Abgasturbine 6 angeordnet sein, um die Abgas turbine 6 vor Tröpfchenschlag zu schützen.
Fig.3 zeigt schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1. Im Folgenden soll dabei im Wesentlichen auf die Unterschiede zur Ausführung nach Fig.2 eingegangen werden.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann die Brennstoffzelle 2 sowohl mit 1-stufig als auch mit 2-stufige verdichteter Umgebungsluft versorgen.
Dazu verzweigt sich nach dem Verdichter 5 an dem Verzweigungspunkt 101 die folgende Parallelschaltung aus
Reihenschaltung Zufuhrventil 2a, weiterer Verdichter 52, Wärmetauscher 9, Verdichterbypassventil 2c,
- weiterem Verbraucher 21 mit Steuerventil 21a,
noch einem weiteren Verbraucher 22 mit Steuerventil 22a und noch einem weiteren Verbraucher 23 mit einem Steuerventil 23a.
Die Parallelschaltung aus Zufuhrventil 2a, weiterem Verdichter 52 und Wärmetauscher 9 einerseits und Verdichterbypassventil 2c andererseits, wird vor der Brennstoffzelle 2 wie der zusammengeführt. Damit gibt es für die Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit Umge bungsluft folgende Ventilstellungen von Zufuhrventil 2a und Verdichterbypassventil 2c:
Wird für die Brennstoffzelle 2 das hohe Druckniveau einer 2-stufigen Verdichtung benötigt, so ist das Zufuhrventil 2a geöffnet und das Verdichterbypassventil 2c ge schlossen.
Wird für die Brennstoffzelle 2 im Teillastbetrieb nur ein niedrigerer Druck benötigt, so ist das Zufuhrventil 2a geschlossen und das Verdichterbypassventil 2c geöffnet. Die Brennstoffzelle 2 wird dann lediglich über den Verdichter 5 versorgt. Der Wär metauscher 9 kann in diesem Betriebspunkt umgangen werden, weil die Tempera tur der verdichteten Luft nach dem Verdichter 5 ohne weitere Verdichtung kleiner oder gleich der zulässigen Einströmtemperatur der Umgebungsluft in die Brenn stoffzelle 2 bzw. in den Brennstoffzellen-Stack ist.
Wird für die Brennstoffzelle 2 keine Umgebungsluft benötigt, so ist sowohl das Zu fuhrventil 2a als auch das Verdichterbypassventil 2c geschlossen.
Die Vorteile zur bedarfsgerechten Luftversorgung der Verbraucher mit unterschiedlichen Druckniveaus, insbesondere unter Berücksichtigung der Energieoptimierung, werden wei ter unten noch näher erläutert.
Fig.4 zeigt schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1. Im Folgenden soll dabei im Wesentlichen auf die Unterschiede zur Ausführung nach Fig.3 eingegangen werden.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann die Brennstoffzelle 2 sowohl mit 1-stufig als auch mit 2-stufige verdichteter Umgebungsluft versorgen. Die einstufige Verdichtung erfolgt dabei jedoch durch den weiteren Verdichter 52, welcher in der Ausführung der Fig.4 zusammen mit der Abgasturbine 6 auf der Welle 7 angeordnet ist.
Das Verdichterbypassventil 2c ist parallel zu dem Verdichter 5 geschaltet, kann in alterna tiven Ausführungen aber auch wegfallen, so dass die Umgebungsluft immer durch den Verdichter 5 strömen muss. Stromabwärts des Verdichters 5 ist der Verzweigungspunkt 101 angeordnet, an welchem sich der Pfad in eine Parallelschaltung aus den weiteren Verbrauchern 21, 22, 23 (einschließlich der zugehörigen Steuerventile 21a, 22a, 23a) und dem Zufuhrventil 2a aufspaltet. Die Pfade von Verdichterbypassventil 2c und Zufuhrventil 2a führen wieder zusammen und münden in den weiteren Verdichter 52, von wo aus die Brennstoffzelle 2 gespeist wird.
Bei geöffnetem Zufuhrventil 2a und geschlossenem Verdichterbypassventil 2c erfolgt so mit eine zweistufige Verdichtung der Umgebungsluft für die Brennstoffzelle 2, beispiels weise für einen hohen Leistungsausstoß der Brennstoffzelle 2. Weiterhin kann diese Ver schaltung jedoch auch dazu genutzt werden, um die Abgasturbine 6 bzw. den weiteren Verdichter 52 zu enteisen: Wenn beispielsweise die Welle 7 aufgrund Vereisung der Ab gasturbine 6 nicht gestartet werden kann, kann über den Verdichter 5 Umgebungsluft, welche optional auch noch vorgeheizt werden kann, über den stehenden weiteren Ver dichter 52 in den Kathodenpfad bzw. in die Luftzuführungsleitung 3 eingeleitet werden, welche sich in der Brennstoffzelle 2 aufwärmt und dann die Abgasturbine 6 enteist bzw. wieder gängig macht. Danach kann die Einheit aus weiteren Verdichter 52 und Abgastur bine 6, welche optional von einem Elektromotor angetrieben wird, gestartet werden.
Dadurch entfallen zusätzliche Maßnahmen wie beispielsweise Heizungen an der Abgas turbine 6.
Weiterhin ist so bei einem Ausfall des Weiteren Verdichters 52, welcher bevorzugt der Hauptverdichter für die Brennstoffzelle 2 ist, ein Teil- Lastbetrieb der Brennstoffzelle 2 möglich, in dem der Verdichter 5 einen Luftmassenstrom in die Luftzuführungsleitung 3 leitet.
Zusätzlich kann die Anzahl von Start- Stopp-Vorgängen des Weiteren Verdichters 52 re duziert werden, indem dieser bei geringen Antriebsleistungen (beispielsweise stop-and- go-Verkehr, Stau, langsamer Stadtverkehr) abgeschaltet bleibt und ein Betrieb der Brenn stoffzelle 2 im unteren Teillast-Bereich durch einen Luftmassenstrom des Verdichters 5 erfolgt. Durch somit auch reduzierte Anforderungen an die Lager der Welle 7 können kos tengünstigere Lagervarianten ermöglicht werden. Außerdem kann durch den Teillast- Betrieb mit abgeschaltetem weiteren Verdichter 52 gegebenenfalls auch ein energetischer Vorteil erzielt werden.
Fig.5 zeigt schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1, in welchem der Verdichter 5 und der weitere Verdichter 52 in der Luftzuführungsleitung 3 der Brennstoffzelle 2 parallel geschaltet sind. Das Verdichterbypassventil 2c ist dabei in dem Teilpfad des Weiteren Verdichters 52 angeordnet, und das Zufuhrventil 2a in dem Teilpfad des Verdichters 5 zur Brennstoffzelle 2. Stromabwärts des Verdichters 5 ver zweigt sich die Strömung der Umgebungsluft zu dem Zufuhrventil 2a einerseits und zu den weiteren Verbrauchern 21, 22 andererseits.
Die weiteren Verbraucher 21, 22 werden somit von dem Verdichter 5 mit Umgebungsluft versorgt. Die Brennstoffzelle 2 kann - je nach Stellung der Ventile - von dem Verdichter 5, von dem weiteren Verdichter 52 oder auch von beiden Verdichtern 5, 52 gleichzeitig - parallel - mit Umgebungsluft versorgt werden:
Bei geschlossenem Verdichterbypassventil 2c und geöffnetem Zufuhrventil 2a wird der weitere Verdichter gebypasst und die Versorgung der Brennstoffzelle 2 erfolgt durch den Verdichter 5.
Bei geöffnetem Verdichterbypassventil 2c und geschlossenem Zufuhrventil 2a er folgt die Versorgung der Brennstoffzelle 2 durch den weiteren Verdichter 52.
Bei geöffnetem Verdichterbypassventil 2c und geöffnetem Zufuhrventil 2a erfolgt die Versorgung der Brennstoffzelle 2 durch den Verdichter 5 und weiteren Verdich ter 52. Diese Schaltung wird insbesondere bei einem hohen Massenstrombedarf der Brennstoffzelle 2 verwendet.
Auch in der Ausführung der Fig.5 kann, wie bei allen anderen Ausführungen, in der Ab luftleitung 4 der Wasserabscheider 41 und/oder die Abgasturbine 6 angeordnet sein. Die Abgasturbine 6 kann dabei, je nach Auslegung des Brennstoffzellensystems 1, zum An trieb des Verdichters 5 oder zum Antrieb des Weiteren Verdichters 52 ausgeführt sein. Weiterhin können auch die Brennstoffzelle 2 und die Abgasturbine 6 Bypässe aufweisen, insbesondere für einen Anfahr- oder Enteisungsbetrieb des Brennstoffzellensystems 1.
Die Steuerventile 21a, 22a können als Luftklappen ausgeführt sein und an verschiedenen Positionen zur Aufteilung des Luftmassenstroms bzw. zur Druckteilung verwendet wer den. Je nach Ausführungsvariante (Luftverwendung und Betriebsstrategie) können die Luftklappen passiv - beispielsweise als Rückschlagklappen - oder aktiv - insbesondere mit Steuerungsmöglichkeiten - ausgeführt sein. Bei einer mehrstufigen Verdichtung kann je nach Druck- und Temperaturniveau ein Wärmetauscher als Zwischenkühler zwischen den beiden Verdichtungsstufen verwendet werden.
Fig.6 zeigt schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1, in welchem der Verdichter 5 und der weitere Verdichter 52 in der Luftzuführungsleitung 3 der Brennstoffzelle 2 parallel geschaltet sind. In der Ausführung der Fig.6 sind der Ver dichter 5 und die Abgasturbine 6 auf der Welle 7 angeordnet. Im Folgenden wird im We sentlichen auf die Unterschiede zur Ausführung der Fig.5 eingegangen.
Der Verdichter 5 und der weitere Verdichter 52 sind in der Ausführung der Fig.6 derart parallel in der Luftzuführungsleitung 3 angeordnet, dass sie je nach Ventilstellungen fol gende Abnehmer mit Umgebungsluft versorgen können:
Einzeln oder gemeinsam die Brennstoffzelle 2 und/oder
Einzeln oder gemeinsam die weiteren Verbraucher 21, 22, 23.
Dabei sind beispielsweise auch folgende Betriebssituationen möglich:
Der Verdichter 5 versorgt die Brennstoffzelle 2 und
der weitere Verdichter 52 versorgt die weiteren Verbraucher 21, 22, 23.
Der Verdichter 5 versorgt die weiteren Verbraucher 21, 22, 23, und die Brennstoff zelle 2 ist abgeschaltet bzw. sie läuft in Sauerstoffverarmung.
Der weitere Verdichter 52 versorgt die Brennstoffzelle 2, und die weiteren Ver braucher 21, 22, 23 sind abgeschaltet bzw. weisen keinen Bedarf an Umgebungs luft auf.
Der weitere Verdichter 52 versorgt die weiteren Verbraucher 21, 22, 23, und die Brennstoffzelle 2 ist abgeschaltet bzw. sie läuft in Sauerstoffverarmung
Dazu sind das Zufuhrventil 2a, das Verdichterbypassventil 2c, die Steuerventile 21a, 22a, 23a der weiteren Verbraucher 21, 22, 23, ein weiteres Zufuhrventil 2d und ein weiteres Verdichterbypassventil 2e in einer Kreuzstellung angeordnet:
Stromabwärts des Verdichters 5 ist das Zufuhrventil 2a angeordnet.
Stromabwärts des Zufuhrventils 2a ist der Verzweigungspunkt 101 angeordnet, wobei der Strömungspfad sich in eine Richtung zur Brennstoffzelle 2 und in eine Richtung zu den weiteren Verbrauchern 21, 22, 23 aufspaltet.
Stromabwärts des Weiteren Verdichters 52 ist das weitere Verdichterbypassventil 2e angeordnet.
Stromabwärts des weiteren Verdichterbypassventils 2e ist ein weiterer Verzwei gungspunkt 101b angeordnet, wobei der Strömungspfad sich in eine Richtung zur Brennstoffzelle 2 und in eine Richtung zu den weiteren Verbrauchern 21, 22, 23 aufspaltet. Zwischen den beiden Verzweigungspunkten 101, 101b ist das Verdichterbypass ventil 2c angeordnet, das somit vorzugsweise in beide Richtungen (zur Brennstoff zelle 2 und zu den weiteren Verbrauchern 21, 22, 23) durchströmbar ist.
Stromabwärts des Verzweigungspunktes 101 in Richtung zur Brennstoffzelle 2 ist das weitere Zufuhrventil 2d angeordnet.
Stromabwärts des weiteren Verzweigungspunktes 101b in Richtung zu den weite ren Verbrauchern 21, 22, 23 sind die zugehörigen Steuerventile 21a, 22a, 23a in Parallelschaltung angeordnet.
Fig.7 zeigt schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1, in welchem der Verdichter 5 und der weitere Verdichter 52 in der Luftzuführungsleitung 3 der Brennstoffzelle 2 sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet werden können. Hierzu ist stromabwärts des Verzweigungspunktes 101 eine Parallelschaltung aus dem Verdich ter 5 und dem Verdichterbypassventil 2c angeordnet, die weiter stromabwärts mittels des Zufuhrventils 2a stromaufwärts des Weiteren Verdichters 52 wieder geschlossen werden kann, wobei alternativ das Verdichterbypassventil 2c auch entfallen kann, insbesondere bei annähernd verlustfreier Durchströmung des stillstehenden Verdichters 5. In weiteren, auch ergänzenden Alternativen kann die Parallelschaltung auch erst stromabwärts des Weiteren Verdichters 52 mittels des weiteren Zufuhrventils 2d wieder geschlossen wer den.
Dadurch ergeben sich für die Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit Umgebungsluft in Abhängigkeit der Ventilstellungen von Verdichterbypassventil 2c, Zufuhrventil 2a und wei terem Zufuhrventil 2d folgende Möglichkeiten:
Einstufige Verdichtung durch den Verdichter 5: geschlossenes Verdichterbypass ventil 2c, geschlossenes Zufuhrventil 2a, geöffnetes weiteres Zufuhrventil 2d Einstufige Verdichtung durch den weiteren Verdichter 52: geöffnetes Verdichterby passventil 2c, geschlossenes Zufuhrventil 2a, geschlossenes weiteres Zufuhrventil 2d
Zweistufige Verdichtung durch den Verdichter 5 und den weiteren Verdichter 52: geschlossenes Verdichterbypassventil 2c, geöffnetes Zufuhrventil 2a, geschlosse nes weiteres Zufuhrventil 2d
Einstufige Verdichtung mit erhöhtem Massenstrom durch Parallelschaltung aus erstem Verdichter 5 und zweitem Verdichter 52: geöffnetes Verdichterbypassventil 2c, geschlossenes Zufuhrventil 2a, geöffnetes weiteres Zufuhrventil 2d Das Zufuhrventil 2a ist dabei vorzugsweise nur in Richtung des Weiteren Verdichters 52 durchströmbar, und das weitere Zufuhrventil 2d nur in Richtung der Brennstoffzelle 2.
Auch in dieser Ausführung kann je eine Abgasturbine 6 den Verdichter 5 und den weite ren Verdichter 52 antreiben. Es können beliebig viele weitere Verbraucher 21, 22, 23 durch den Verdichter 5 mit Umgebungsluft versorgt werden.
In den Ausführungen der Fig.5, Fig.6 und Flg^Z ist eine redundante Luftversorgung, so wohl für die Brennstoffzelle 2 als auch für die weiteren Verbraucher 21, 22, 23, sicherge stellt, sofern das Zufuhrventil 2a (Fig.5) bzw. das Verdichterbypassventil 2c (Fig.6) bzw. das weitere Zufuhrventil 2d (Fig.7) entsprechend in beiden Richtungen durchströmbar sind. Die Verfügbarkeit des Fahrzeuges mit dem Brennstoffzellensystem 1 kann erhöht werden, was bei vollautomatisierten Fahrzeugen oder kommerziell genutzten Fahrzeugen von besonderem Vorteil ist. Anforderungen hinsichtlich Sicherheit bzw. gesetzliche Aufla gen können infolgedessen besser erfüllt werden (beispielsweise die Verdünnung von Wasserstoff oder die Absicherung der Belüftung).
In bevorzugten Weiterbildungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele können die zwei Luftfördersysteme, also der Verdichter 5 und der weitere Verdichter 52 auf unter schiedliche Energiequellen zurückgreifen (beispielsweise der Verdichter 5 auf 12 V oder 48V und der weitere Verdichter 52 auf Hochvolt-Bordnetz), wodurch sich auch eine Re dundanz bei der Energieversorgung ergibt.
Weiterhin kann gegebenenfalls auch im unteren Teil- Lastbetrieb des Brennstoffzellensys tems 1 die Luftversorgung der Brennstoffzelle 2 über den weiteren Verdichter 52 erfolgen, der ohnehin für andere Aufgaben (beispielsweise als Frischluftgebläse für die Fahrzeug- Klimatisierung) in Betrieb sein muss. Der Verdichter 5 kann in derartigen Betriebszustän den komplett abgeschaltet sein. Beispiele hierfür sind: Stop-and-go-Verkehr, Stau, lang samer Stadtverkehr, Standheizung/Aufwärmphase. Durch diese Maßnahme wird das Brennstoffzellensystem 1 energetisch optimiert. Weiterhin wird dadurch die Anzahl von Start- Stopps des Verdichters 5 minimiert, so dass dessen Verschleißteile weniger bean sprucht werden. Beispielsweise können durch die reduzierten Anforderungen an die Lager der Welle 7 dann entsprechend kostengünstigere Lagervarianten eingesetzt werden. Wei terhin können die Dynamikanforderungen an den Verdichter 5 reduziert werden, wenn bei Leerlauf bzw. bei unterem Teillast- Betrieb der weitere Verdichter 52 die Aufgabe der Luft versorgung für die Brennstoffzelle 2 übernimmt.
Dies hat direkt Auswirkungen auf die Auslegung der Antriebseinheit 11 und der Leistungselektronik für den Verdichter 5. Die Antriebseinheit 11 für den Verdichter 5 ist in den Figuren 4-7 nicht dargestellt. In bevorzugten Ausführungen weist der Verdichter 5 dennoch jeweils die Antriebseinheit 11 auf, um zum einen die Welle 7 auch unabhängig von der Abgasturbine 6 antreiben zu können und zum anderen auch sämtliche Betriebssi- tuationen - insbesondere während der Startphase - abdecken zu können.
Bei der Ausführung nach Fig.3 kann aufgrund der Steuerventilanordnungen beispielswei se auch sowohl eine Redundanz als auch eine zweistufige Verdichtung realisiert werden, wenn der Verdichter 5 und der weitere Verdichter 52 nicht auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Dies kann auch zur Optimierung des Brennstoffzellensystems 1 (Wir kungsgrad, Antriebseinheit 11, Leistungselektronik) genutzt werden.
Bei Ausführungen mit der Abgasturbine 6 ergeben sich für den Gefrierstart bzw. Kaltstart Vorteile: Bei Vereisung der Abgasturbine 6 (Lager und/oder Laufrad) kann
durch das weitere gekoppelte Luftsystem - also das System, welches nicht an derglei chen Welle 7 wie die Abgasturbine hängt, je nach Ausführung der Verdichter 5 oder der weitere Verdichter 52 - Luft in die Luftzuführungsleitung 3 und in die Abluftleitung 4 einge leitet, dort aufgewärmt und dann der Abgasturbine 6 zugeführt werden, so dass diese enteist wird. Danach kann der Verdichter 5 bzw. der weitere Verdichter 52 mit der mit ihm drehfest verbundenen Abgasturbine 6 gestartet werden. Dadurch entfallen zusätzliche Maßnahmen wie beispielsweise Heizungen an der Abgasturbine 6.
Als Ventile 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 21a, 22a, 23a können bei Bedarf Proportionalventile ge wählt werden, so dass die Massenströme der Umgebungsluft zur Brennstoffzelle 2 und zu den weiteren Verbrauchern 21, 22, 23 im Idealfall quasi beliebig eingestellt werden kön nen. Es können jedoch auch Absperrventile oder passive Ventile 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 21a, 22a, 23a (beispielsweise Rückschlagklappen) verwendet werden, welche dann aufgrund von Relativdrücken öffnen und schließen.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (1) mit einer Brennstoffzelle (2), einer Luftzuführungsleitung
(3) zum Zuführen von Umgebungsluft in die Brennstoffzelle (2) und einer Abluftleitung
(4) zum Abführen der reagierten Umgebungsluft aus der Brennstoffzelle (2), wobei ein Verdichter (5) in der Luftzuführungsleitung (3) angeordnet ist
dadurch gekennzeichnet, dass
stromabwärts des Verdichters (5) parallel zu der Brennstoffzelle (2) zumindest ein weiterer Verbraucher (21, 22, 23) von Umgebungsluft angeordnet ist.
2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdichter (5) auf einer von einer Antriebseinheit (11) antreibbaren Welle (7) an geordnet ist.
3. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Abgasturbine (6) in der Abluftleitung (4) angeordnet ist, wobei die Abgasturbine (6) vorzugsweise auf der Welle (7) angeordnet ist.
4. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3
dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle (2) ein Zufuhrventil (2a) und dem zumindest einem weiteren Verbraucher ein Steuerventil (21a, 22a, 23a) zugeordnet ist.
5. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4
dadurch gekennzeichnet, dass
ein weiterer Verdichter (52) in der Luftzuführungsleitung (3) angeordnet ist.
6. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
der weitere Verdichter (52) in Reihe zu dem Verdichter (5) geschaltet ist.
7. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Zufuhrventil (2a) zwischen dem Verdichter (5) und dem weiteren Verdichter (52) angeordnet ist.
8. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7
dadurch gekennzeichnet, dass
parallel zu dem Zufuhrventil (2a) und dem weiteren Verdichter (52) ein Verdichterby passventil (2c) angeordnet ist.
9. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7
dadurch gekennzeichnet, dass
parallel zu dem Zufuhrventil (2a) und dem Verdichter (5) ein Verdichterbypassventil (2c) angeordnet ist.
10. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet, dass
der weitere Verdichter (52) parallel zu dem Verdichter (5) geschaltet ist.
11. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 10
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Verdichter (5) ein Zufuhrventil (2a) zugeordnet ist und dass dem weiteren Ver dichter (52) ein Verdichterbypassventil (2c) zugeordnet ist.
12. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 10 oder 11
dadurch gekennzeichnet, dass
der weitere Verdichter (52) mittels Ventilen (2a, 2c, 2d, 2e) derart zu dem Verdichter (5) geschaltet ist, dass sowohl die Brennstoffzelle (2) als auch der zumindest eine weitere Verbraucher (21, 22, 23) sowohl von dem Verdichter (5) als auch von dem weiteren Verdichter (52) mit Umgebungsluft versorgbar sind.
13. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 12
dadurch gekennzeichnet, dass
der weitere Verdichter (52) zu dem Verdichter (5) sowohl in Reihe als auch parallel schaltbar ist.
14. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 13
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine weitere Verbraucher (21, 22, 23) auch von dem weiteren Verdich- ter (52) mit Umgebungsluft versorgbar ist.
15. Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und mit einer Fahrerkabine, wobei ein weiterer Verbraucher (21, 22, 23) zur Belüftung der Fahrerkabine ausgebildet ist.
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